M—ICT時代下的5G技術及創新

朱龍明

摘要：提出5G面臨的3種技術發展挑戰：增強型移動寬帶（eMBB）、高可靠低時延通信（URLLC）、大規模機器通信（mMTC）。圍繞5G的發展，中興通訊創新性地提出統一空口（UAI）和云感知軟網絡（CAS）的技術理念，并圍繞該理念，研發出一系列創新技術用于實現5G新型空中接口，例如濾波器組-正交頻分多址（OFDMA FB-OFDMA）、多用戶共享接入（MUSA）、大規模多輸入多輸出（MIMO）、統一幀結構（UFS）、平滑的虛擬小區（SVC）等，并基于軟件定義網絡（SDN）/網絡功能虛擬化（NFV）技術構建出新型5G網絡架構。這些技術和方案進一步地促進了5G的發展。

關鍵詞： UAI；CAS；FB-OFDMA；MUSA；大規模MIMO

Abstract： In this paper， three technical development challenges faced by 5G are proposed， including enhanced mobile broadband （eMBB）， ultra reliable and low latency communication （URLLC）， massive MTC （mMTC）. ZTE Corporation proposes the technology concept： unified air interface （UAI） and cloud aware soft-network （CAS）， and it also develops a series of innovative technologies for the realization of new 5G air interface， such as filter bank-orthogonal frequency division multiple access （FB-OFDMA）， multi-user shared access （MUSA）， massive multi input multi output （MIMO）， unified frame structure （UFS）， smooth virtual cell （SVC）， and built a new 5G network architecture based on soft-defined network （SDN）/network function virtualization（NFV） technology. These technologies and schemes further promote the development of 5G.

UAI； CAS； FB-OFDMA； MUSA； massive MIMO

1 5G的概念

1.1 5G能做什么

2014年，中興通訊提出構建一個以移動為核心特征的面向人與人、人與物、物與物全面互聯的理念，5G正是實現中興通訊M-ICT理念的一個重要基石。5G將滲透到未來M-ICT社會的各個領域，拉近人與人、人與物、物與物之間的距離，引發巨大的信息革命。

首先，5G將以公眾用戶為中心構建全方位的信息處理系統，突破時空限制，為用戶帶來極速的上網體驗和極佳的交互體驗，使信息溝通徹底突破時空的羈絆。

其次，5G還將以行業用戶為中心構建全方位的信息生態系統，通過互聯網與物聯網深度融合的方式，拉近萬物的距離，促進萬物互聯，便捷地實現人與物、物與物之間智能互聯。

最后，5G還將推動網絡架構發生變革，通過支持多樣化的無線接入場景，驅動終端、無線、網絡、業務深度融合，從而滿足端到端的業務體驗需求，實現靈活的網絡部署和高效的網絡運營[1-3]。

1.2 5G帶來的挑戰

5G將圍繞人們居住、工作、休閑、交通以及垂直行業的需求，廣泛部署在密集住宅區、辦公室、體育場、地鐵、高速公路、高速鐵路以及環境監測等場景，這些場景分別具有超高流量、超高密度、超高連接數、超高移動性、超遠覆蓋、超低功耗等不同特點，其面臨的技術挑戰可以歸納為以下幾種[2]：

（1）增強型移動寬帶（eMBB）場景。該場景指面向移動通信的基本覆蓋環境，能夠在保證移動性和業務連續性的前提下，無論靜止還是高速移動，覆蓋中心還是覆蓋邊緣，都可以為用戶隨時隨地提供100 Mbit/s以上的體驗速率，在室內、外局部熱點區域的覆蓋環境，都可以為用戶提供1 Gbit/s的用戶體驗速率和10 Gbit/s以上的峰值速率，滿足10 Tbps/km2以上的流量密度需求。

（2）高可靠低時延通信（URLLC）場景。該場景能夠面向車聯網、工業控制等物聯網的特殊應用需求，為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證。

（3）大規模機器通信（mMTC）場景。該場景指面向環境監測、智能農業等以傳感器和數據采集為目標的應用場景，該應用場景具有小數據包、低功耗、低成本、海量連接等特點，要求支持106/km2以上的連接數密度。

以上3個場景是5G將面臨的技術挑戰，具體見圖1。這些挑戰反映到數字上就是：100 Mbit/s～1 Gbit/s的用戶體驗速率和10 Gbit/s的峰值速率，10 Tbps/km2的流量密度，106/km2的連接數密度，以及毫秒級的端到端時延，這些關鍵性能指標如圖2所示。

1.3 5G的演進過程

5G空口技術演進由4G演進和5G新空口兩部分組成，基于統一空口設計下的5G新空口既適用于低頻也適用于5G高頻，4G演進及5G空口在高低頻的應用共同滿足eMBB、URLLC、mMTC 3種場景的用戶體驗，如圖3所示。

長期演進（LTE）是目前在全球得以大規模部署的4G標準。從持續提升4G用戶的體驗及支持網絡平滑演進的角度出發，5G標準化階段自然包括對4G技術的進一步增強。在保證后向兼容的前提下，4G演進將以LTE技術框架為基礎，在已有頻段（主要是6 GHz以下的低頻段）引入增強技術，包括部分與5G新空口共用技術如大規模天線技術的引入，可以使4G演進系統達到5G的早期能力，也即Pre5G。Pre5G系統在速率、容量、連接數、時延等空口性能指標能達到5G早期水平[4]。

5G新空口將是5G演進的主要方向。新空口的設計將突破后向兼容的限制，被設計成一個全新的空口，通過挖掘各種先進技術的潛力，全面滿足5G性能和效率指標為目標。5G新空口需要同時適用于6 GHz以下的低頻段和6 GHz以上的高頻段，低頻段主要滿足大覆蓋、高移動性場景下的用戶體驗和海量連接，高頻段則滿足熱點區域極高的用戶體驗速率和系統容量[5-6]。

新空口將采用全新的空口設計，引入大規模天線、新波形、新多址等先進技術，采用靈活的幀結構，精簡的信令流程，靈活的雙工方式，有效滿足廣覆蓋、大連接、高速移動等場景下的體驗速率、時延、連接數。新空口設計追求技術方案的統一性和可配置性，通過靈活配置參數的方式實現不同場景下的技術需求，高低頻技術方案統一，通過參數的調整來適應信道的變化和射頻器件的影響，在波形、調制編碼、天線技術上進行適應性優化。在覆蓋組網上，采用低頻與高頻聯合使用，低頻以構建有效的網絡覆蓋為主，并承擔對用戶的管理和控制功能；高頻則在熱點區域用戶提供高數據傳輸。

在網絡架構設計上，5G將引入網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）技術，整個網絡將轉變為一種基于通用硬件的基礎設施平臺，并且其中的網絡控制功能和轉發功能徹底分離，通過網絡功能模塊化、組件化實現控制功能的可重構。網絡運營者可以從全局的視角來調度網絡資源，方便快捷地把網元功能部署在網絡中的任意位置，實現網絡連接的可編程。

5G的標準化工作將在第3代合作伙伴項目（3GPP）內完成，如圖4所示。2016年開始的Rel-14版本周期將開啟5G第1階段工作的標準化，這一階段的工作包括也即5G新空口的研究以及信道建模等工作；2018年開始的Rel-16版本周期將是5G第2階段的標準化，包括5G新空口在高頻段的使用。隨后5G將正式進入產業化階段。

2 中興通訊5G技術創新

2.1 技術理念

中興通訊圍繞5G的發展開展了一系列深入研究，針對2020年M-ICT社會的需求和未來無線技術及網絡技術發展的需求，在總體設計理念上提出構建統一、靈活、可配置的5G統一空口（UAI）和基于云感知軟網絡（CAS）技術的網絡架構，如圖5所示。

2.2 UAI技術創新

UAI是針對不同場景的技術需求，通過關鍵技術和參數的靈活配置形成相應的優化技術方案，UAI的目標是追求統一的波形設計、統一的幀結構和統一的控制。

UAI包含3層結構（如圖6所示），底層引入抽象物理層，采用統一框架設計的波形和幀結構，靈活適配多種業務和全頻段部署的要求，對不同的業務和頻段完全透明；中間層可按照業務類型實現靈活的網絡切片和彈性的資源分配；頂層則引入業務感知的功能，并實現動態、智能的業務聚合。

UAI基于統一的無線網絡基礎設施和靈活的軟件設置滿足5G時代多樣化的行業應用，并兼容從低頻段到高頻段的部署需求。為實現UAI的統一波形、統一幀結構和統一控制的目標，中興通訊在其基礎關鍵技術如波形、幀結構、多址、調制編碼、天線、小區虛擬化等領域提出了一系列創新方案。

（1）濾波器組OFDM（FB-OFDM）技術。中興通訊采用基于優化濾波器設計的FB-OFDM技術用于5G的新波形設計，其機理就是在4G的發射和接收基礎上增加一組多相濾波器模塊。FB-OFDM具有極低的帶外泄露，有效利用零散頻段，并與其他波形技術進行共存，同時支持eMBB、URLLC和mMTC3種場景的應用，在提升頻譜使用率的基礎上，有效降低終端對時域和頻域同步要求。

（2）多用戶共享接入（MUSA）技術。面向5G“海量連接”和“移動寬帶”兩個典型場景的新型多址技術，中興通訊提出MUSA技術作為未來5G多址接入技術。 MUSA上行接入通過創新設計的復數域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進多用戶檢測，讓系統在相同時頻資源下支持數倍用戶的接入，并且可以支持真正的免調度接入，免除資源調度過程，簡化同步、功控等過程，從極大簡化終端的實現、降低終端的能耗，因此MUSA特別適合作為未來5G海量接入的解決方案。MUSA下行則通過新型疊加編碼技術，可提供比4G正交多址及功率域非正交多址（NOMA）更高容量的下行傳輸，并且能簡化終端的實現，降低終端的能耗，可應用于5G移動寬帶高容量的場景。

（3）大規模多輸入多輸出（MIMO）技術。5G基站天線數及端口數將有大幅度增長，中興通訊采用可支持上百根天線和數十個天線端口的大規模天線方案，并通過大規模MIMO技術，來支持更多用戶的空間復用傳輸，達到數倍提升系統頻譜效率的目的。大規模MIMO適用于高低頻段以及集中和分布方式部署，在高頻段通過高增益自適應波束賦形技術以補償高傳播損耗，在低頻段重點解決了頻分雙工（FDD）系統中的導頻開銷和反饋開銷問題，時分雙工（TDD）系統中的上行導頻污染問題以及信道狀態信息反饋增強的問題，并采用空口校準加終端輔助校準的方式解決分布式天線之間存在的校準問題，大規模天線技術的應用得到了拓展。

（4）統一幀結構（UFS）方案。5G由于引入低時延高可靠業務，傳輸時間間隔（TTI）可以由4G的5 ms縮短到1 ms，循環前綴（CP）、參考信號、控制信令等幀結構設計中的常規參數面臨著開銷大幅壓縮的挑戰。中興通訊針對幀結構進行了優化改進，采用參數可靈活配置的統一幀結構UFS，一方面通過減少TTI長度，降低CP長度，增加子載波間隔，改進調度流程，降低調度時延應對低時延高可靠業務；另一方面又可以針對不同頻段、場景和信道環境，選擇不同的參數進行配置，如帶寬、子載波間隔、循環前綴、傳輸時間間隔和上下行配比。同時參考信號和控制信道也可以進行靈活配置，以適應大規模天線技術和MUSA多址技術的應用。

（5）平滑的虛擬小區（SVC）方案。為了達到5G系統要求的熱點地區高流量，5G需要采用超密集組網方式，半規劃/無規劃部署的要求，無理想回程鏈路。為此，中興通訊開發出一種SVC方案來解決超密集組網帶來的5G移動性、干擾、高頻鏈路的傳輸質量問題。通過采用數據同步技術支撐虛擬小區內傳輸節點間的聯合信號處理和傳輸節點的快速轉換，通過接入鏈路與自回程鏈路進行聯合資源分配等多種方式靈活動態地組建回程鏈路，更好地支撐半規劃/無規劃部署和虛擬小區內各節點的快速協作。

（6）多種編碼技術創新。中興通訊開發出包編碼、短循環冗余碼校驗碼（CRC）和低密度奇偶校驗碼（LDPC）3種調制編碼技術應對5G多場景下的信道編碼。包編碼是在傳統數據包的基礎上添加一個包編碼，即在所有糾錯編碼塊之間添加一個異或（奇偶校驗）包，這樣操作的目的在于將所有的碼塊建立異或關系，有利于在接收端譯碼時提高整個數據包傳輸可靠性；短CRC碼是通過減小CRC的長度并結合碼空間檢錯的一種方案，該方案可以降低開銷并保持通信系統的數據傳輸性能，滿足短數據實時通訊和在線通訊；LDPC采用并行譯碼技術，譯碼速度高，特別適用于吞吐量高的系統，可以提升鏈路的頻譜效率以支持高速率業務，滿足低頻新空口和高頻新空口中的高速率業務。

2.3 CAS技術創新

未來5G網絡需要融合各種無線頻段和制式，滿足更多差異化的應用場景需求，提供多樣化的網絡服務能力，使得5G網絡架構需要比現有網絡更加靈活、可擴展性更好。SDN/NFV作為網絡架構創新的核心技術，將成為5G網絡架構的基礎技術；但僅有SDN/NFV技術仍然無法滿足5G網絡架構需求，網絡還需要在架構層面上進行變革，提供功能組件化動態編排、切片化管理以及按需云部署等關鍵能力。

中興通訊利用SDN/NFV技術，設計了基于CAS的網絡架構，如圖7所示。CAS將5G網絡各網元功能進行了重構，提供功能組件化動態編排、切片化管理以及按需云部署等關鍵能力。

CAS具有3個主要特性：開放性（3層通用架構）、靈活性（軟件定義組件和切片）和可擴展性（以DC為中心的組網部署）的網絡架構。

CAS是一個開放的、有靈活性的和擴展性的平臺網絡，通過虛擬化實現軟硬件的分離，通過組件化實現功能的靈活編排，通過云管理實現資源的統一管理和部署。

（1）分層網絡。如圖8所示，CAS采用開放性的分層網絡架構，從底到上分別是：基礎設施層、業務使能層、業務應用層。分別提供基礎設施即服務（IaaS）、平臺即服務（PaaS）、網絡即服務（NaaS）以及開放數據即服務（DaaS）。分層網絡提供的層間解耦合以及可替換性帶來了更加開放的可能。

（2）軟件定義的網絡。軟件定義的特征使得5G網絡具有靈活性：基礎設施層提供物理設備虛擬化（即圖8中的軟件定義基礎設施（SDI）），業務使能層提供各種虛擬網絡功能（VNF）（即軟件定義網絡功能 （SDNF） ），業務應用層編排各個VNF，并提供軟件定義的網絡切片（SDNS）。各層通過適配可提供開放式服務接口（即軟件定義的業務接口（SDSI）），使得各種軟件定義的組件和編排可全局調度資源，部署網絡功能，給網絡帶來了靈活性。

（3）硬件IT化。以數據中心為中心的組網，使網絡具備可擴展性。接入數據中心（DC）除基帶功能之外，Intel inside支持Open Stack，可部署新業務；邊緣數據中心是業界第一個采用Intel 機柜式架構（RSA）的基帶池，可部署移動寬帶（MBB）、移動邊緣計算（MEC）等網絡功能；核心網數據中心則是高集成度的Intel RSA的電信級優化的數據中心。

目前為止，中興通訊已投入2億元用于5G領域的研究和開發，在未來3年當中，還將陸續投入3億元用于5G研發。中興通訊分布在全球十幾個研究所超過2 000余位專家同步從事5G研發。

3 結束語

5G的發展過程也是一個技術創新的過程，中興通訊創新地提出的UAI+CAS的架構理念，形成了以FB-OFDMA、MUSA、UFS等一批新技術并應用在5G系統中，從而推動5G的全面發展。

參考文獻

[1] 中興通訊.5G技術白皮書[R/OL].[2016-04-22].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/424379

[2] IMT-2020（5G）推進組.5G愿景與需求白皮書[R/OL]. [2016-04-22].http：//www.imt-2020.org.cn

[3] 向際鷹.從4G到5G的演進[EB/OL]. [2016-04-22].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/434877

[4] 徐俊.5G鏈路增強技術進展[EB/OL]. [2016-04-25].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/434874

[5] 中興通訊.大規模多天線技術現狀研究熱點[R/OL].[ 2016-04-22].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/434874

[6] 中興通訊.空口降低時延關鍵技術[R/OL].[2016-04-22]. http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/434872